北航侯慧龙Nature Reviews Materials

【导读】

现代社会中，无处不在的制冷技术占全球能源消耗和温室气体排放的相当大一部分。基于蒸汽压缩的空间制冷消耗了所有发电量的约20% ，一些常用制冷剂的全球变暖潜势比CO₂高一千倍。已有两个世纪历史的蒸汽压缩技术经过高度优化，但减少温室气体排放和对更高能源效率的需求，推动了对替代冷却和制冷技术的研究。热效应是固体材料经受一个或多个场的温度和熵状态的可逆变化，从而可用于实现制冷。在过去50年中，由于新材料和设备的出现，热量制冷领域经历了一系列转变，这些发展促成了过去十年多热量的出现。多热量材料显示出一种或多种类型的铁序，可产生多种场诱导相变，从而增强热量效应的各个方面。这些材料可以为提取热量开辟新途径，并引领迄今为止未知的技术应用。

【成果掠影】

在此，北京航空航天大学侯慧龙副教授和马里兰大学Ichiro Takeuchi教授（共同通讯作者）基于多热量冷却的新兴领域，探索了对多个领域做出响应的最先进的热量材料和系统。概述了单热量和多热量材料的发展，然后根据材料是单相还是复合材料以及需要单场还是多场，所有热量制冷过程都属于四个类别之一。然后，研究了机械热的范围和不同类型的变形模式，它们为实现多热冷却提供了多种选择。此外，还讨论了输入能量的耗散百分比如何对多热量材料的疲劳行为产生直接影响，展示了对多热量制冷的未来应用的愿景，并研究了控制制冷设备整体系统效率的关键因素。

未来，提高效率和尽量减少制冷剂对环境影响的动力继续推动冷却技术的创新，多热量材料和器件的进步可以使固态制冷技术达到商业化的技术门槛。正如 1990年代后期磁热材料的发展推动了他们的科学追求和工业兴趣一样，相信今天的多热量制冷有望引领热量制冷的未来几十年的创新。

相关研究成果以“Materials, physics and systems for multicaloric cooling”为题发表在Nature Reviews Materials上。

【核心创新点】

1.探索了对多个领域做出响应的最先进的热量材料和系统，展示了对多热量和热量制冷未来应用的愿景；

2.鉴于氢氟烃的现有和即将实施的全球法规，预计热量和多热量制冷系统将变得更加可行，并具有渗透商业市场的潜力。

【数据概览】

图一、作为多热量制冷基础的单热量材料的机理© 2022 Springer Nature Limited

（a，b）开启和关闭磁场时，磁矩在对齐状态和无序状态之间切换，如顺磁-铁磁转变处的磁化强度与外加磁场曲线所示；

（c，d）在打开和关闭电场时，电偶极状态在对齐和随机之间切换，如顺电-铁电转变处的极化-与施加电场；

（e，f）随着应力的施加和释放，晶体结构在高对称性和孪晶-然后去孪晶结构之间转变，这可以在奥氏体-马氏体转变处的施加应力与应变 曲线中看到；

（g，h）当施加和去除压力时，晶胞体积膨胀然后恢复，伴随晶格参数的变化；

（i）一阶相变的克劳修斯-克拉佩伦关系。

图二、相变制冷的类别© 2022 Springer Nature Limited

（a）根据材料是单相还是复合材料以及应用单场还是多场，所有单热和多热材料和配置都可以分为四个象限；

（b）单相材料中磁热、机械热、电热和多热制冷过程之间的关系；

（c）复合材料中磁场、应力和电场过程及其组合之间关系；

（d）单场单相材料、多场单相材料、单场复合材料和多领域下的复合材料；

图三、单热量和多热量制冷系统的损耗因子© 2022 Springer Nature Limited

【成果启示】

综上所述，在其成立不到10年的时间里，多热量制冷已成为固态相变制冷技术中一个有前途的研究方向，除了为现有技术提供更环保的替代方案外，还具有高能量转换效率的潜力。多热量制冷从多铁材料的丰富物理特性中获得其功能，其多样化的实施方式代表了急需的紧凑和环保制冷技术的可能性，以及开发超越传统制冷技术的新热设备应用的可能性。

文献链接：“Materials, physics and systems for multicaloric cooling”（Nature Reviews Materials，2022，10.1038/s41578-022-00428-x）

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